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旗下栏目: PLC 嵌入式 单片机 DCS

20万吨/年高塔复合肥工程DCS系统设计

DCS | 发布时间:2017-10-14 | 人气: | #评论# |本文关键字:DCS
摘要:【摘要】 化工行业在我国有着举足轻重的地位,化工产品在各个领域都有着不可替代的作用,整个化工行业的生产状况将直接影响到国民经济的发展和人们的日常生活,本文运用先进的

【摘要】化工行业在我国有着举足轻重的地位,化工产品在各个领域都有着不可替代的作用,整个化工行业的生产状况将直接影响到国民经济的发展和人们的日常生活,本文运用先进的控制系统对高塔复合肥的生产线设计DCS控制系统进行控制,对于提高产品的质量和产量,降低原材料损耗,增加企业经济效益有着重大意义。

  关键词:DCS;自动化;PLC;WINCC;化工

  1引言

  以集成电路和电子计算机为代表的电子技术的发展水平及其在社会生产和生活各领域应用的深度和广度,已成为当今衡量一个国家技术进步和现代化程度的重要标志。

  当今世界正处于新技术革命的时代,电子信息技术是这场世界性产业革命的先导。在微机应用技术和范围方面,发展最快的是用于生产过程自动化的监测、显示与控制,其中尤其以发展传统产品、节能降耗为最。在节能与环保、实现节能与文明生产、提高经济效益等一系列急切要求的推动下,国内外都很重视对工业自动化的技术履行。

  工业过程先进集成自动化技术是集自动化控制技术、计算机信息技术、综合控制理论、智能控制工程及高效节能技术于一体的综合过程控制技术系统。本项目就是将工业过程先进集成自动化技术成功应用于工业生产过程中,运用先进的控制系统对化工产品的生产线过程进行自动化监测、显示与控制,实现智能化控制(DCS),提高产品的质量和产量,降低原材料损耗,节省能源,提高经济效益,实现节能与环保、节能与文明生产的有效融合。

  2系统总体设计方案

  2.1系统设计原则及能够达到的性能

  l实用性原则

  从具体情况出发,制定符合实际且技术先进的生产控制功能,本系统的设计目标是只在工艺要求的情况采用手工操作,由DCS系统实现对生产过程的全自动控制,提高产品的质量和产量。

  l可靠性原则

  对化工生产系统的高可靠性是十分重要的。首先是硬件系统的可靠性,实现了双CPU、双CP的热备冗余连接机制,总线冗余配置可以使系统的运行可靠性更高,其次是软件系统具有较高的可靠性,具有容错功能。

  系统的平均无故障时间(MTBF):15年

  模件的平均无故障时间(MTBF):50年

  系统可利用率(MTBF/MTBF+MTTR):大于99.99%,

  l安全性原则

  采用分散控制,选用的I/O模件在运行过程中都可带电插、拔,而且具备完善的故障检测、诊断功能。上位机具有完善的报警显示、故障处理及操作报警等功能。具有连锁、紧急停机功能,使系统具有良好的安全运行性能。

  l先进性原则

  系统设计应把握先进稳定的传感器技术、最新电子控制技术、计算机技术、网络和通信技术的发展方向,采用先进的体系结构;尽量选用同行业内先进成熟的技术和设备,选用先进的软硬件平台,营造高起点的系统开发与应用环境,系统具有先进的体系结构,先进的控制算法,先进的通讯功能,先进的网络功能,先进的热备冗余功能,既具有控制功能,还具有完善的信息处理和管理功能,使其具备全集成自动化的控制模式,在国内处于领先水平。

  l灵活性原则

  系统采用分布式I/O结构,ET200作为从站通过PROFIBUS-DP现场总线使现场信号与自动化系统相连,它可以集中装在室内或分散装在控制现场,使系统配置具有极大的灵活性,并且具有灵活的软件组态功能,能够灵活的进行控制算法的修改,很方便的完成控制参数的整定。

  l扩展性原则

  系统具有开放似的模块化体系结构和软件系统,易于系统的扩展及与管理信息系统的互联。系统具有开放性,在功能,配置,通信接口等方面具有较好的控制能力,系统能随着科学技术的发展而不断平滑升级。

  l可维护性原则

  系统具有自诊断功能,对软、硬件系统可以进行故障定位和故障报警,并能进行故障处理记录,故障平均修复时间(MTTR)为3分钟,并可进行在线维护。

  2.3设计依据及标准

  过程控制系统系统的主要标准和规范如下:

  《监控、数据采集和自动控制系统采用的定义、规范ANSI/IEEEC37.1-1987》

  《电子设备雷击保护导则》GB1450

  《计算机接地技术要求》GB2887

  《低压电器基本标准》

  《自动化仪表工程施工及验收规范》GB50093-2002

  《电气装置安装工程施工及验收规范》GBJ232-90,92

  《安全防范工程程序与要求》GAT75-94

  《过程测量与控制仪表的功能标志及图形符号》HG/T20505-2000

  《自动化仪表选型设计规定》HG/T20507-2000

  《信号报警、安全联锁系统设计规定》HG/T20511-2000

  《仪表配管配线设计规定》HG/T20512-2000

  《仪表系统接地设计规定》HG/T20513-2000

  《仪表及管线伴热和保温设计规定》HG/T20514-2000

  《仪表隔离和吹洗设计规定》HG/T20515-2000

  《自动分析器室设计规定》HG/T20516-2000

  《自控设计常用名词术语》HG/T20699-2000

  《可编程控制器系统工程设计规定》HG/T20700-2000

  《自控安装图册总说明、图形符号规定及材料库》HG/T21581-95

  《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收规范》(GB50171-92);



  IEEE802.3网络技术标准,IEC870-5-103,以及GB、SD、JIEC、IEEE、IEC、ISO、ANSI、DIN等相关的最新标准。

  2.4系统总体结构图

冗余的系统结构图

  冗余的系统结构图

  2.5各单元功能描述

  2.5.1上位操作员站

  主控室上位监控计算机通过PROFIBUS总线对下面的DCS系统进行监控,上位机操作员站主要完成以下功能:

  检测点实时显示:实时显示各种状态点实际值。

  检测点棒柱显示:可设置报警上下限。

  各种PID调节:可进行PID参数设置,并可实现手、自动切换。

  报警功能:任何方面出现故障都能及时产生报警(包括监控画面报警显示以及报警讯号)。

  错误信息诊断:根据系统故障,提出诊断报告。

  历史曲线实时记录:实时显示各种重要参数的曲线状态,方便监控以及以后翻查。

  操作记录显示:能够将所有相关人员的各种操作实时作记录归档,这样当错误操作而引起事故时便能迅速查出事故原因及责任人。

  动画演示:各流程画面都有一定的动画效果,增强了监控画面的形象性。

  2.5.2上位机工程师站

  工程师站可以兼做操作员站,除此之外它还可以提供以下的功能:

  用户管理:设置管理员用户名及密码,包括新建和删除管理员、操作员用户。

  权限设置:可以针对不同的现场操作按钮设置不同的操作员权限,然后对操作员设置不同的权限。

  程序、组态下载:可以在线或离线下载用户程序和组态数据到DCS控制器。

  在线故障诊断:可以实时的对下面DCS控制器进行硬件诊断,当出现故障时,可以实时的进行故障诊断和定位。

  2.5.3DCS过程控制器

  西门子的过程控制器S7315-2DP通过PROFIBUS总线与上位机完成通讯,并且实现两个过程控制器之间的冗余配置,当一台控制器因断电等故障工作异常时,系统可以自动切换到另一台冗余控制器进行工作。

  控制器通过Profibus总线与下面的2台控制分站相连,对控制分站的采集信号,进行高速的采集、处理。

  2.5.4DCS过程控制分站

  本系统的过程控制分站一共2台,完成对厂方要求的所有模拟量、数字量信号的实时采集和输出控制功能。

  实时性问题在工业监控领域具有十分重要的地位,本通讯系统达到的要求如下:

  &sup2;数字量采集周期<0.05s;

  &sup2;模拟量采集周期:电量<0.1s,非电量<0.2s;

  &sup2;实时数据库更新周期:<1s;

  控制命令响应时间:①控制命令回答响应时间

  3DCS系统的硬件配置和性能

  该系统包含了计算机技术、控制技术、网络通讯技术、现场总线技术等,并通过网络总线把计算机、PLC、DCS、现场智能仪表和连接成一个有机的整体,使用户在远程监控室内就可以监视和控制现场控制器的状态。

  本系统设置两个控制柜,以对生产装置进行控制。

  对于每套生产装置,分别设置两台ET200M作为PROFIBUSDP从站,用于将分布式IO信号送至控制器。

  在本系统中我们设置了两台CPU315-2DP作为PROFIBUSDP主站,用于对来自DP从站的现场信号进行处理。任意一台均能控制两套生产装置,其中一台平时作为备用机。当主CPU发生故障时,有专门的冗余程序来保证控制任务自动切换到备用系统中运行。

  在控制站的上位机部分,我们设置了操作员和工程师站。

  上位机与控制站之间,主系统CPU同备用系统CPU间,通过PROFIBUS总线进行通讯。

  下面对DCS系统的硬件配置进行一下介绍。

  3.1操作员站、工程师站具体配置

  该系统有两台工控机组成,其中一台作为操作员站,一台作为工程师站。

  两台工控机我们采用了研华IPC610,性能可靠,CPU主频为Pentium2.4G,160G硬盘,2G内存。



  1.操作员站

  操作员站满足如下要求:

  •动态工艺流程图不小于100幅,可进行多窗口画面显示(每屏&sup3;4幅)。

  •调用任一画面一般只需击键一次即可,最多不会大于三次。

  •操作站动态标签数&sup3;3000点。

  •具有趋势曲线记录功能,趋势曲线总数&sup3;100条,1分钟时间间隔,24小时趋势曲线>80条,每幅趋势曲线图允许6条以上曲线叠加显示。

  •具有生产报告、事件报告、报警报告等功能。

  •操作站与现场控制站之间用PROFIBUS总线进行连接,采用PROFIBUS总线作为其传播介质,通讯速率为>10Mbit/sec。

  •流程图状态更新、画面切换或刷新时间可调,最小值小于100ms。(包括动态和静态数据)。

  •供电电源:220VAC±15%,50Hz。

  2.工程师站

  工程师站具有操作员站的全部功能,此外,工程师站还具有编程、组态、诊断、调试和修改等功能。

  工程师站满足如下要求:

  •工程师工作站可以调出任一已定义的系统显示画面。在工程师站上生成的任何画面和趋势图等,可以通过通讯总线加载到操作员站。

  •工程师站可以通过通讯总线,调出系统内任一处理单元的系统组态信息和有关数据,也可以将组态数据从工程师站上下载到各分散处理单元和操作员站。当新的组态数据被确认后,系统能自动地刷新其内存。

  •工程师站包括了站用处理器、图形处理器及能容纳系统内所有数据库、各种显示和组态程序所需的主存储器和外围设备,能提供系统趋势显示所需的历史趋势缓冲器。

  供电电源:220VAC±15%,50Hz

  3.2控制器

  1.CPU

  在控制器方面,我们采用的是SIEMENSPLC较高性能系列S7-300的CPU315-2DP。

  CPU315-2DP具有如下设计特点:

  •高性能的处理器

  CPU315-2DP执行一条二进制指令仅需要100ns,满足对程序规模和指令处理速度的更高要求。

  •扩展的存贮器能力

  CPU315-2DP具有128KBRAM。

  •灵活的扩展性

  CPU315-2DP可以扩展多达32768个数字量或2048个模拟量I/O,其第二个接口可以连接的DP从站总量达96个,具有很强的扩展能力。

  •PROFIBUS-DP接口

  集成的PROFIBUS-DP接口使CPU315-2DP能够作为主站直接连接到PROFIBUS-DP现场总线,建立一个高速的分布式自动化系统,并且使得操作大大简化,传输速率最大为12Mbit/s。

  •多点接口(MPI)

  CPU315-2DP用MPI能够建立最多32个站的简单网络,能对在通讯总线(C总线)和MPI上的站点建立连接,其数据传输速率最大为12Mbit/s。

  •功能块保护:

  在用户程序中使用口令保护,可防止非法访问。

  •诊断缓存区:

  315-2DP最后的故障和中断事件保存在FIFO缓存器中,供诊断使用。存入的信息数目可以通过参数化确定。

  •实时时钟:

  将从CPU来的诊断信息标上日期和时间。

  3.3ET200M

  1.ET200M概述:

  •ET200M是高密度配置的模块化I/O站,具有处理全部分布式自动化问题各种需要的能力,防护等级为IP20。

  •符合HART协议的防爆模拟量输入和输出模板意味着,ET200M适用于过程工程,它也适宜于与冗余系统一起使用。

  •ET200M是在PROFIBUS-DP现场总线上的被动站(从站),最大数据传输速率为12Mbit/s。

  •ET200MI/O站包括IM153接口模块,最多8个S7300可编程控制器模块,它们通过PROFIBUSDP现场总线与自动化系统相连接。

  •ET200M可采用有源总线模板进行配置,在运行过程中允许带电更换模板。其余模板仍继续运行(热插拔)。

  2.IM153-2接口模板:

  •将ET200M作为从站连接到PROFIBUS-DP(铜导线)。

  •适用于冗余PROFIBUS-DP系统。

  •有时间戳记功能和时间同步。

  3.关于热插拔

  SIEMENS的PLC控制系统中:

  S7-300作为PROFIBUSDP主站下挂DP从站ET200M、ET200S、ET200iS,支持热插拔功能(需要使用有源总线底板);但采用S7-300作为主站的软冗余系统无法实现热插拔全部功能。当将ET200M从站上的模块拔出时,CPU不停机,主CPU、备用CPU上的SF灯亮,BUSF灯闪烁,ET200M从站上的2块IM153-2模块的SF灯亮,BF灯闪烁,该ET200M从站上所有模块的I/O值被清0,S7-300主站失去对该ET200M从站的控制能力。当再次将模块插入到ET200M站上时,系统从主CPU切换到备用CPU,SF、BUSF、BF灯熄灭,软冗余系统重新回到正常运行状态。

  根据上述介绍,使作为PROFIBUSDP主站的S7-300CPU采用硬冗余方式,然后下挂DP从站ET200M,这样就实现了整个系统的热插拔功能(需要使用有源总线底板)。

  4 DCS系统的软件配置和性能

  4.1上位监控软件WinCC

  上位监控软件选用SIEMENS公司最新的WinCCV6.0,SIMATICWinCC(视窗控制中心)是西门子(SIEMENS)在自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能相结合的产物。它有各种有效功能用于自动化过程,是用于个人计算机上的,按价格和性能分级的人机界面和SCADA系统。可以容易的结合标准和用户程序生成人机界面,准确的满足实际要求。与其他监控系统相比,WinCC具有以下系统特性:

  1、SIMATICWinCC是一个通用的系统

  WinCC在自动化领域中可用于所有的操作员控制和监控任务。WinCC可将过程和生产中发生的事件清楚的显示出来。它显示当前状态并按顺序记录。所记录的数据可以全部显示或选择简要形式显示,可连续或按要求编辑,并可输出。WinCC提供各种功能块用于以上这些功能,以及图形显示,结合各用户程序、信息处理、测量值处理、配方参数和报表。



  2、SIMATICWinCC功能可随任务增加

  软件的特殊功能做成可选软件包,客户可以单独选购,适用于数据和功能的扩展。例如,通过服务器可选软件包,可以将已有的单用户组态系统扩展成一个多用户系统。

  3、SIMATICWinCC提供安全保障

  WinCC能够在生产过程中危机情况的初发阶段进行报告,这些信号即可以在屏幕上显示出来,也可以通过声卡用声音表现出来。WinCC支持用帮助功能和操作指南来消除故障。某一WinCC工作站可专门用于过程控制以使那些重要的过程信息不被屏蔽。软件辅助操作策略保护过程不会非法访问,并提供用于工业环境中的无错操作。世界范围的售后支持更提供了安全保障。

  4、SIMATICWinCC保证数据的完整性

  通过两个冗余的工作站,WinCC提供连续的文档数据选择和系统操作的安全保证。在一个服务器受干扰后系统切换客户机到其它服务器上,以确保连续操作。当故障的客户机重新启动,两台服务器的文档自动匹配,以保证文档数据不中断。

  5、SIMATICWinCC是全面开放的软件

  WinCC是在MicrosoftWindows98/2000或WindowsNT4.0/5.0操作系统下,在PC机上运行的面向对象的一流的32位应用。WinCC可通过OLE和ODBC视窗标准机制,作为理想的通讯伙伴进入Windows世界。因此可容易的结合到全公司的数据处理系统中。WinCC不仅仅是数据开放,系统功能也是开放的。这就意味着系统开发人员可用WinCC作为基础开发有关的应用软件,或编写扩展功能。

  6、SIMATICWinCC易于使用

  WinCC的组态环境与MicrosoftWindows的风格一致,并采取人机工程学的研究成果。即使操作人员的知识水平不等,也能在很短的时间里掌握该系统。系统有多媒体自学软件,详细的在线帮助,独特的组态向导等等以帮助学习。

  利用WinCC的创建过程画面功能可实现对总貌画面、分组画面、单点画面(调整画面)、趋势画面、图形画面、棒图等画面的显示。

  鉴于上述优秀特性,在工程师站及操作员站上使用WinCC,轻松满足本装置的生产监视、过程控制、操作画面、参数报警、数据记录及趋势、数据归档、报表显示打印等项的功能要求。其中在工程师站上可以实现用户管理与设置权限,在工程师站能调出任一已定义的系统显示画面。在工程师站上生成的任何画面和趋势图等,能通过通讯总线加载到操作员站,而且可将组态数据从工程师站上下载到各分散处理单元和操作员站。

  4.2过程控制器编程软件STEP7

  PLC控制软件选用SIEMENS的STEP7V5.4,STEP7是用于SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件。它容易使用,面向对象,直观的用户界面,组态取代了编程,拥有统一的数据库,编程语言符合IEC1131-3。

  在STEP7中,用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理,它可以方便的浏览SIMATICS7、M7、C7和MinAC的数据。实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP7中。

  STEP7可使用梯形逻辑LAD、功能块图FBD或语句表STL。STEP7功能十分强大,主要功能有:硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断等。STEP7的所有功能均有大量的在线帮助,用鼠标打开或者选中对象,按F1键可以得到该对象的在线帮助。利用硬件组态功能实现系统组态、CPU与各模块的参数设置;利用通信组态实现站与站之间通讯方式设置;系统诊断功能可提供自动化系统的状态,可快速浏览CPU的数据和程序在运行中的故障原因,还可以图形方式显示硬件配置与模块故障,实现在线故障诊断功能。

  4.3冗余软件包(SoftwareRedundancy)

  本系统采用冗余方式实现冗余要求。软冗余能够实现:主机架电源、背板总线等冗余;PLC处理器冗余;PROFIBUS现场总线网络冗余(包括通讯接口、总线接头、总线电缆的冗余);ET200M站的通讯接口模块IM153-2冗余。

  软冗余系统由A和B两套PLC控制系统组成。开始时,A系统为主,B系统为备用,当主系统A中的任何一个组件出错,控制任务会自动切换到备用系统B当中执行,这时,B系统为主,A系统为备用,这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IM153接口模块的整体切换。系统运行过程中,即使没有任何组件出错,操作人员也可以通过设定控制字,实现手动的主备系统切换,这种手动切换过程,对于控制系统的软硬件调整,更换,扩容非常有用,即AlteringConfigurationandApplicationPrograminRUNMode。

  在软冗余系统进行工作时,A、B控制系统(处理器,通讯、I/O)独立运行,由主系统的PLC掌握对ET200从站中的I/O控制权。A、B系统中的PLC程序由非冗余(non-duplicated)用户程序段和冗余(redundantbackup)用户程序段组成,主系统PLC执行全部的用户程序,备用系统PLC只执行非冗余用户程序段,而跳过冗余用户程序段。

  如果CPU产生停机或断电,或是其它一些故障,则故障诊断为大约100-1000毫秒。

  在本系统中,我们选用了PROFIBUS方式作为主备系统间的同步方式,在这种方式下,同步1K数据所需的时间大约为250ms。

  DP从站切换时间与从站的数量有关系,在PROFIBUS同步方式下,PROFIBUS下挂两个从站的切换时间大约为20ms。

  在安装完软冗余的软件后,可以在STEP7当中找到例子程序和功能程序块库,不同网络连接需要调用不同的程序功能块包,通过调用不同的程序功能块包以及在STEP7中网络组态是选择适当的连接方式,就能轻松的实现系统对冗余的要求。

  5 结束语

  高塔复合肥DCS控制系统整个设计过程遵循分散控制、集中管理思路,并在过程控制层配置了冗余结构,提高了系统的稳定性,运行先进的控制策略和控制方法以及主流的控制技术,满足化工行业稳定性和安全性的高要求,其控制系统构建思路化工行业有一定的借鉴意义。


责任编辑:电气自动化网

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